Применение полимерных труб в системах отопления

В. И. Сасин, канд. техн. наук, член президиума НП «АВОК»

В последние годы повсеместно, в том числе и в России, в качестве теплопроводов систем отопления широко применяются трубы из полимерных материалов (моно- и металлополимерные). В отечественных условиях эксплуатации температурные границы их использования ограничены СНиП [1], согласно которому максимальная температура теплоносителя в расчетном режиме не должна превышать 90 °C. При определении этой температуры специалисты ссылаются на известные графики зависимости прочностных характеристик полимерных труб от температуры и избыточного давления теплоносителя. Заметим, что эти графики, как правило, относятся к режимам работы систем горячего водоснабжения, т. е. к условиям постоянства температуры и давления в трубах, а в системах отопления, как известно, эти параметры переменны. По этой причине, согласно ряду данных, такие графики не следует однозначно распространять на системы отопления.

Однако и ограничения по температуре в 90 °C достаточно жестко определяют возможности использования полимерных труб. В традиционных отечественных системах отопления, по нашему мнению, для стояков и подводок следует ограничиться металлополимерными трубами, а монополимерные применять лишь в низкопотенциальных системах отопления и при оснащении теплых полов. Эта рекомендация определяется, в частности, значительными линейными удлинениями монополимерных труб, в 13–15 раз большими, чем температурные удлинения у стальных труб. Это обстоятельство приводит к ухудшению дизайна отапливаемых помещений при открытой прокладке полимерных теплопроводов. Отметим, что даже при прокладке их в специальных каналах зачастую не обеспечивается надежная сохранность облицовки этих каналов в период эксплуатации. Известно, что при использовании металлополимерных труб их линейные удлинения больше, чем у стальных, в 2,5–3 раза. Однако и такие удлинения следует обязательно учитывать при проектировании систем отопления.

Проблема компенсации линейных удлинений полимерных теплопроводов в системах отопления осложняется запретом на установку в таких системах традиционных компенсаторов, например сильфонных: приходится использовать «естественные условия» (отводы, повороты и т. п.), которых зачастую не хватает для надежного снятия линейных удлинений труб. На рис. 1 и 2 показаны рекомендуемые решения устройства компенсаторов, а также замыкающих участков в однотрубных системах отопления с полимерными теплопроводами.

Компенсация линейного удлинения полимерных теплопроводов

Монтаж радиаторных узлов с металлополимерными трубами в однотрубных системах отопления

Следует отметить, что за рубежом для устранения значительной части «температурных» проблем при использовании полимерных теплопроводов были снижены расчетные параметры теплоносителя в системах отопления жилых зданий с 90–70 °C до 75–65 °C и намечается их дальнейшее снижение.

В отечественной практике, часто в рекламных целях, предлагается пренебречь теплоотдачей стояков и подводок из полимерных теплопроводов из-за низкой теплопроводности полимеров, якобы выполняющих роль теплоизоляции. Рассмотрим этот вопрос подробнее на примере расчета теплового потока через цилиндрическую стенку (рис. 3а) на основе зависимостей, приведенных в учебнике «Теплопередача» [2].

Схема металлополимерной трубы для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку (алюминиевая труба-оболочка условно показана пунктиром) а – без изоляции; б – с изоляцией

Учитывая, что коэффициент теплопроводности алюминиевой оболочки (205 Вт/(м·К)) многократно превышает коэффициент теплопроводности полимерного материала (для примера – полиэтилена) и клеевой основы (0,45 Вт/(м·К)), а отработанная технология производства таких труб обеспечивает качественный контакт полиэтилена с алюминиевой трубой, можем рассматривать такую трубу с допустимой для практических расчетов погрешностью как монолитную полимерную с внутренним диаметром d_в, наружным диаметром d, толщиной стенки трубы δ с постоянным коэффициентом теплопроводности λ = 0,45 Вт/(м·К). Через трубу проходит вода с температурой t_в, причем эффективность теплоотдачи от воды к внутренней поверхности стенки с температурой определяется значением коэффициента внутренней теплоотдачи α_вн (в теплопроводах систем отопления в зависимости от скорости воды обычно α_вн = 500–3000 Вт/(м 2 ·К)), а снаружи при температуре наружной стенки t_с определяется коэффициентом наружной теплоотдачи α, характеризующим суммарный эффект конвективного и радиационного переноса теплового потока в отапливаемое помещение с расчетной температурой воздуха t_вз. Обычно для вертикальных стояков высотой около 3 м при характерных для α= 14…18 Вт/(м 2 ·К).

Тепловой поток Q от трубы длиной L, м, определяется формулой:

(1)

Покажем на примере возможность приближенной оценки теплопотерь полимерной трубы с помощью формулы (1).

Задавшись температурным напором Θ = t_в–t_вз = 70 °C, длиной трубы L = 1 м, ее наружным и внутренним диаметрами d = 0,02 м и d_в = 0,016 м, наиболее характерными условиями теплоотдачи α = 15 Вт/(м 2 ·К) и α_вн = 1000 Вт/(м 2 ·К), при λ = 0,45 Вт/(м·К), по формуле (1) получим Q = 60,4 Вт, что практически совпадает с теплоотдачей стальных вертикальных гладких окрашенных масляной краской труб того же наружного диаметра, которая приведена в качестве приложения во всех рекомендациях ООО «Витатерм» по применению отопительных приборов, например в [3].

Из приведенного примера видно, что основным термическим сопротивлением является сопротивление наружной теплоотдаче. Термическое сопротивление полимерной гладкой трубы, несмотря на низкое значение коэффициента теплопроводности, существенно меньше и не превышает 10 % общего термического сопротивления. И, наконец, влиянием эффективности внутреннего теплообмена α_вн можно пренебречь и поэтому считать, что при рассмотренных диаметрах труб их теплоотдача практически не зависит от характерных для систем отопления расходов воды.

При использовании изоляции (рис. 3б) формула (1) принимает вид

(2)

где d_из – наружный диаметр изоляции (внутренний диаметр изоляции теоретически совпадает с наружным диаметром трубы), м;
λ_из – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м·К).

Формула (2) справедлива при условии идеального контакта наружной поверхности трубы с изоляцией. При накладной изоляции обычно это условие не соблюдается и воздушная прослойка играет роль дополнительного слоя изоляции.

Расчеты, проведенные нами по формуле (2) применительно к характерным диаметрам полимерных труб, показали, что так называемый КПД изоляции составляет около 50 % при коэффициенте теплопроводности изоляции λ_из = 0,05 Вт/(м·К) и около 70 % при λ_из = 0,1 Вт/(м·К), очевидно, в этих случаях на теплоотдачу труб вводятся поправочные коэффициенты 0,5 или 0,7. Такое относительно слабое влияние изоляции связано с тем, что с ростом изоляционного слоя уменьшается коэффициент теплопередачи К от воды к воздуху, но увеличивается площадь наружной теплоотдающей поверхности F пропорционально отношению d_из/d,

Согласно результатам наших испытаний труб с различными типами изоляции (повторяем, что при неплотном контакте труб с изоляцией воздушная прослойка улучшает ее эффект), мы не отмечали КПД изоляции меньше 40 % (поправочный множитель на температуру труб не менее 0,4).

Поскольку задача определения α и α_вн сама по себе очень сложная и расчеты по формулам (1) и (2) носят все-таки приближенный характер, были проведены определительные тепловые испытания металлополимерных труб «KITEC» [4] при различных условиях их размещения в изотермической камере отдела отопительных приборов и систем отопления ОАО «НИИсантехники», согласно ГОСТ Р 53583–2009 [5].

Результаты испытаний, проведенных в ООО «Витатерм» [4], представлены в табл. 1 в виде зависимости линейной плотности теплового потока q, Вт/м, от температурного напора Θ, °C, при горизонтальном расположении открыто проложенных труб на высоте 100 мм от пола, а в табл. 2 – то же при условно вертикальном расположении труб на расстоянии 25 мм от стены.

При испытанных диаметрах труб разница тепловых потоков горизонтальных и вертикальных труб не столь значительна (11–17 %), как у стальных труб (25–28 %), что объясняется частично некоторым дополнительным увеличением теплоотдачи вертикальных металлополимерных труб из-за их небольшой деформации (отклонения от строгой вертикали) при повышении температуры вследствие, как указывалось, несколько большего, чем у стальных труб, линейного расширения. В среднем тепловой поток труб q, Вт/м, зависит от фактического температурного напора Θ, °C, в степени 1,2, т. е.:

(3)

где с – коэффициент, принимаемый для различных диаметров труб в зависимости от их ориентации по столбцу «0» в табл. 1 и 2 при Θ = 70 °C, Вт/м;
Θ – фактическая разность среднеарифметической температуры теплоносителя в трубе и расчетной температуры воздуха в помещении, °C;
70 – нормативная разность температур (температурный напор), °C.

Следует отметить, что чем меньше наружный диаметр теплопроводов, тем меньше разница в теплопередаче горизонтальных и условно вертикальных полимерных труб.

Полезный тепловой поток открыто проложенных вертикальных и горизонтальных у пола металлополимерных труб учитывается обычно в пределах 50–100 % от приведенного в табл. 1 и 2. При открытой прокладке горизонтальных труб под потолком рекомендуется учитывать 70–80 % их расчетного теплового потока с учетом его радиационной составляющей.

При экранировании открытого стояка из полимерных труб металлическим экраном общий тепловой поток вертикальных труб снижается в среднем на 25 %.

При скрытой прокладке труб в глухой борозде можно принимать, что общий тепловой поток снижается на 50 %, а при скрытой прокладке в вентилируемой борозде – уменьшается на 10 %.

Общий тепловой поток одиночных труб, замоноличенных в междуэтажных перекрытиях отапливаемых помещений и во внутренних перегородках из тяжелого бетона (λ_бет ≥ 1,8 Вт/(м·°C), ρ_бет ≥ 2000 кг/м 3 ), увеличивается в среднем в 2,2 раза (при оклейке стен обоями в 2 раза) по сравнению со случаем открытой установки, причем полезный тепловой поток при расположении труб на расстоянии 30 см и менее от наружной стены составляет в среднем 95 % от общего (в каждое из смежных помещений поступает половина полезного теплового потока).

Общий тепловой поток от одиночных труб в наружных ограждениях из тяжелого бетона (λ_бет ≥ 1,8 Вт/(м·°C), ρ_бет ≥ 2000 кг/м 3 ) увеличивается в среднем в 1,8 раза (при оклейке стен обоями в 1,6 раза), причем полезный тепловой поток при наличии теплоизоляции между трубой и наружной поверхностью стены составляет в среднем 90 % от общего.

При скрытой прокладке одиночных труб, замоноличенных в легком бетоне с пластификатором, поправочные коэффициенты на тепловой поток труб, приведенный в табл. 1 и 2, принимаются в пределах 1,1–1,15.

Таблица 1 Тепловой поток 1 м открыто проложенных горизонтальных металлополимерных труб

dвн/ dнар, мм dу, мм Θ, °С Тепловой поток 1 м трубы q, Вт/м, при Θ, °C, через 1 °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12/16 16 30 20,5 21,4 22,2 23,0 23,9 24,7 25,6 26,4 27,3 28,2 16/20 20 24,8 25,8 26,8 27,8 28,8 29,9 30,9 31,9 33,0 34,0 20/25 25 29,4 30,6 31,8 33,0 34,2 35,4 36,6 37,8 39,1 40,3 12/16 16 40 29,0 29,9 30,8 31,6 32,5 33,4 34,3 35,2 36,1 37,0 16/20 20 35,0 36,1 37,2 38,2 39,3 40,4 41,4 42,5 43,6 44,7 20/25 25 41,5 42,8 44,0 45,3 46,6 47,8 49,1 50,4 51,7 53,0 12/16 16 50 37,9 38,8 39,8 40,7 41,6 42,5 43,4 44,4 45,3 46,3 16/20 20 45,8 46,9 48,0 49,1 50,2 51,4 52,5 53,6 54,7 55,9 20/25 25 54,3 55,6 56,9 58,2 59,5 60,9 62,2 63,5 64,9 66,2 12/16 16 60 47,2 48,2 49,1 50,0 51,0 52,0 52,9 53,9 54,9 55,8 16/20 20 57,0 58,2 59,3 60,4 61,6 62,8 63,9 65,1 66,2 67,4 20/25 25 67,6 68,9 70,3 71,6 73,0 74,4 75,8 77,1 78,5 79,9 12/16 16 70 56,8 57,8 58,8 59,7 60,7 61,7 62,7 63,7 64,7 65,7 16/20 20 68,6 69,8 71,0 72,1 73,3 74,5 75,7 76,9 78,1 79,3 20/25 25 81,3 82,7 84,1 85,5 86,9 88,3 89,7 91,2 92,6 94,0 12/16 16 80 66,7 67,7 68,7 69,7 70,7 71,7 72,7 73,7 74,8 75,8 16/20 20 80,5 81,7 82,9 84,2 85,4 86,6 87,8 89,0 90,3 91,5 20/25 25 95,4 96,9 98,3 99,7 101,2 102,6 104,1 105,5 107,0 108,4

При прокладке труб в стандартных штробах, полностью заполненных самотвердеющей пенистой изоляцией, тепловой поток труб увеличивается на 15–20 % в случае размещения в наружных стенах и на 5–10 % – при размещении во внутренних перегородках.

Следует учитывать, что приведенные в табл. 1 данные о теплопередаче моно- и металлополимерных труб можно принять в качестве средних для большинства аналогов при их горизонтальной прокладке, т. к. возможные отклонения от «горизонтальности» при характерных для систем отопления температурах теплоносителя (50–90 °C) и его скорости (0,5–1 м/с) мало отражается на эффективности теплопередачи. В то же время при вертикальной прокладке монополимерных труб при тех же условиях они будут заметнее отклоняться от «вертикальности», чем металлополимерные. Поэтому теплопередача условно вертикальных монополимерных труб, согласно нашим предварительным данным, отличается от теплопередачи горизонтальных труб не на 11–17 %, а всего лишь на 5–7 %, и будет соответственно выше значений, приведенных в табл. 2.

Таблица 2 Тепловой поток 1 м открыто проложенных вертикальных металлополимерных труб

dвн/ dнар, мм dу, мм Θ, °C Тепловой поток 1 м трубы q, Вт/м, при Θ, °C, через 1 °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12/16 16 30 18,5 19,2 20,0 20,7 21,5 22,2 23,0 23,8 24,6 25,3 16/20 20 21,8 22,7 23,6 24,5 25,4 26,3 27,2 28,1 29,0 29,9 20/25 25 25,3 26,3 27,3 28,4 29,4 30,4 31,5 32,5 33,6 34,6 12/16 16 40 26,1 26,9 27,7 28,5 29,3 30,1 30,9 31,7 32,5 33,3 16/20 20 30,8 31,8 32,7 33,6 34,6 35,5 36,5 37,4 38,4 39,3 20/25 25 35,7 36,8 37,9 39,0 40,0 41,1 42,2 43,3 44,4 45,6 12/16 16 50 34,1 35,0 35,8 36,6 37,4 38,3 39,1 40,0 40,8 41,6 16/20 20 40,3 41,3 42,2 43,2 44,2 45,2 46,2 47,2 48,2 49,2 20/25 25 46,7 47,8 48,9 50,1 51,2 52,3 53,5 54,6 55,8 56,9 12/16 16 60 42,5 43,3 44,2 45,0 45,9 46,8 47,6 48,5 49,4 50,2 16/20 20 50,2 51,2 52,2 53,2 54,2 55,2 56,2 57,3 58,3 59,3 20/25 25 58,1 59,3 60,4 61,6 62,8 64,0 65,2 66,3 67,5 68,7 12/16 16 70 51,1 52,0 52,9 53,8 54,6 55,5 56,4 57,3 58,2 59,1 16/20 20 60,4 61,4 62,4 63,5 64,5 65,6 66,6 67,7 68,7 69,8 20/25 25 69,9 71,1 72,3 73,5 74,7 76,0 77,2 78,4 79,6 80,8 12/16 16 80 60,0 60,9 61,8 62,7 63,6 64,5 65,4 66,4 67,3 68,2 16/20 20 70,8 71,9 73,0 74,1 75,1 76,2 77,3 78,4 79,4 80,5 20/25 25 82,1 83,3 84,5 85,8 87,0 88,3 89,5 90,8 92,0 93,3

В отечественной практике реклама применения полимерных труб в значительной мере ориентирована на их крайне малые значения эквивалентной шероховатости 0,0003–0,001 мм, которые многократно меньше расчетной эквивалентной шероховатости стальных труб (0,2 мм).

Даются рекомендации, что для повышения экономической эффективности использования полимерных труб целесообразно уменьшить на следующий размер расчетный диаметр теплопровода при замене стального на полимерный. При экспертных оценках таких «решений», проведенных ООО «Витатерм», было отмечено, что замена стальных труб, например, условным диаметром 20 мм, на следующий размер полимерных – 16 мм фактически приводит к уменьшению внутреннего диаметра труб не на один, а на два размера (не до 16, а до 12 мм), т. к. у стальных труб условный диаметр характеризует их внутренний размер, а у полимерных – наружный. Ситуация осложняется и дополнительным гидравлическим сопротивлением мест соединения теплопроводов (особенно у металлополимерных труб с использованием пресс-фитингов), т. к. в этих местах нарушается постоянство диаметра теплопровода по ходу теплоносителя. И, наконец, еще одно обстоятельство, которое практически не учитывается при гидравлических расчетах систем отопления, а именно: отмеченное выше «искривление» полимерных труб при подаче горячего теплоносителя относительно прямолинейности, обеспечиваемой при их монтаже.

По данным ООО «Витатерм» «извилистость» полимерных стояков увеличивает гидравлическое сопротивление на 5–10 %.

В ООО «Витатерм» для оценки реальных условий эксплуатации полимерных теплопроводов были проведены гидравлические испытания металлополимерных труб «KITEC» [4], принятых в качестве представительных. Эти испытания проведены согласно методике НИИсантехники [6]. Она позволяет определять значения приведенных коэффициентов местного сопротивления ζ_ну и характеристик сопротивления S_ну при нормальных условиях (при расходе воды через прибор 0,1 кг/с или 360 кг/ч) после периода эксплуатации, в течение которого коэффициенты трения мерных участков стальных новых труб на подводках к испытываемым элементам системы отопления достигают значений, соответствующих коэффициенту трения стальных труб с эквивалентной шероховатостью 0,2 мм, принятой в качестве расчетной для стальных теплопроводов отечественных систем отопления.

Согласно эксплуатационным испытаниям отопительного оборудования, проведенным ООО «Витатерм», гидравлические показатели этого оборудования и теплопроводов, определенные по упомянутой методике [6], в среднем соответствуют трехлетнему сроку их эксплуатации в отечественных системах отопления.

Гидравлические испытания полимерных теплопроводов KITEC проводились после достаточно длительных их тепловых испытаний в изотермической камере ОАО «НИИсантехники» [5]. Было отмечено, что на внутренних стенках полимерных труб образовался слабый гладкий налет следов коррозии от стальных элементов экспериментального стенда, который на 10–15 % увеличил гидравлические показатели чистых труб, т. е. эквивалентная шероховатость полимерных труб оказалась заметно выше паспортной, приводимой изготовителем.

Наличие подобного налета наблюдалось нами и при анализе внутренней поверхности полимерных труб, эксплуатировавшихся в реальных системах отопления.

При проводимых ООО «Витатерм» экспертных оценках аварийных ситуаций в системах отопления с полимерными трубами в ряде случаев было отмечено «рыхление» внутренней поверхности этих труб при использовании теплоносителя с большим количеством абразивных твердых веществ. Испытания образцов полимерных труб из таких систем отопления показали еще большее увеличение гидравлических показателей по сравнению с данными для чистых труб.

В тоже время следует учитывать, что при скоростях воды в трубах, соответствующих ламинарному и частичному переходному режимам течения, гидравлические характеристики труб из разных материалов практически совпадают. Поэтому рекомендовать снижение диаметра труб при указанных режимах течения теплоносителя не допускается.

В работе [4] приведены данные об удельных перепадах давления R, Па/м, в зависимости от массного расхода воды через трубу М, кг/с, при средней температуре горячей воды 70 °C. В среднем для испытанных труб при расходах теплоносителя М = 0,03…0,1 кг/с, d_вн = 12 мм значения R находятся в пределах 109…951 Па/м, при d_вн = 16 мм R = 28…239 Па/м и при d_вн = 20 мм R = 10…83 Па/м. Отмечена неквадратичность значений R от расхода теплоносителя М: при d_вн = 12 мм R = 6·10 4 ·М 1,8 , при d_вн = 16 мм R = 1,41·10 4 ·М 1,77 , при d_вн = 20 мм R = 0,47·10 4 ·М 1,75 . После образования на трубах пленки следов коррозии режим течения стабилизировался и рост перепада давления при М_idem прекратился. При средней температуре воды, отличной от 70 °C, рекомендуется вводить поправочный коэффициент Ψ на значения R, полученные при 70 °C, по формуле:

(4)

где R_t – удельный перепад давления при средней температуре воды в пределах от 10 до 90 °C и расходе М, Па/м.

Значения Ψ в зависимости от средней температуры воды в теплопроводах можно принимать по табл. 3.

Таблица 3 Поправочный коэффициент Ψ на температуру воды

Фактическая средняя температура воды в трубах, °C 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Значение Ψ 0,95 0,98 1 1,02 1,05 1,1 1,14 1,2 1,25

В ходе исследований ООО «Витатерм» отмечено, что гидравлические характеристики полимерных труб, развернутых из рулона, зависят от качества размотки, поэтому при укладке труб из рулона рекомендуется использовать специальное устройство с целью обеспечения соответствия гидравлических характеристик труб паспортным.

Следует учитывать, что полимерные трубы, залитые в бетон, при пропуске через них горячей воды, изменяют свой внутренний диаметр. Это приводит к увеличению гидравлического сопротивления такой трубы в среднем на 10 %.

При выполнении отводов, особенно малых радиусов, возможно образование овальности труб. Согласно данным ООО «Витатерм», овальность, т. е. отношение разности большего и меньшего внутренних диаметров труб к номинальному значению диметра круглой трубы, умноженное на 100 %, в пределах до 25 % не ухудшает гидравлические характеристики отводов и калачей, а в пределах 18–23 % даже их немного уменьшает.

В заключение укажем, что актуальные проблемы монтажа и эксплуатации систем отопления с использованием полимерных теплопроводов требуют отдельного рассмотрения и представлены, в частности, в работах [7, 8].

Таким образом, при использовании полимерных труб в системах отопления следует учитывать в полной мере их тепловые характеристики и не пренебрегать гидравлическими показателями. Для этого необходимо учитывать рекомендации ООО «Витатерм», приведенные в данной статье.